Các tế bào nép mình trong các lớp ngoài cùng của bộ não con người tạo ra một loại tín hiệu điện đặc biệt có thể giúp chúng tăng thêm sức mạnh tính toán, nghiên cứu mới cho thấy. Hơn nữa, tín hiệu này có thể là duy nhất đối với con người - và có thể giải thích trí thông minh độc đáo của chúng tôi, theo các tác giả nghiên cứu.
Các tế bào não, hoặc tế bào thần kinh, liên kết thông qua các dây dài, phân nhánh và các thông điệp đưa đón dọc theo các dây cáp này để liên lạc với nhau. Mỗi nơ-ron có cả một dây đi, được gọi là sợi trục và dây nhận các tin nhắn đến, được gọi là đuôi gai. Dendrite truyền thông tin đến phần còn lại của tế bào thần kinh thông qua các hoạt động điện. Tùy thuộc vào cách não được nối dây, mỗi dendrite có thể nhận được hàng trăm ngàn tín hiệu từ các tế bào thần kinh khác dọc theo chiều dài của nó. Trong khi các nhà khoa học tin rằng những gai điện này giúp nối dây não và có thể phát huy các khả năng như học tập và trí nhớ, thì vai trò chính xác của đuôi gai trong nhận thức của con người vẫn là một bí ẩn.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một hương vị mới của sự tăng vọt điện trong sợi nhánh của con người - thứ mà họ nghĩ có thể cho phép các tế bào thực hiện tính toán một khi đã nghĩ quá phức tạp đối với một tế bào thần kinh. Nghiên cứu, được công bố vào ngày 3 tháng 1 trên tạp chí Science, lưu ý rằng tính chất điện mới chưa từng được quan sát thấy ở bất kỳ mô động vật nào ngoài con người, đặt ra câu hỏi liệu tín hiệu này có đóng góp duy nhất cho trí thông minh của con người hay của linh trưởng hay không anh em tiến hóa.
Một tín hiệu lạ
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu dendrite đã được thực hiện trong mô gặm nhấm, có chung đặc tính cơ bản với tế bào não người, đồng tác giả nghiên cứu Matthew Larkum, giáo sư khoa sinh học tại Đại học Humboldt ở Berlin cho biết. Tuy nhiên, các tế bào thần kinh của con người đo được khoảng gấp đôi thời gian tìm thấy ở một con chuột, ông nói.
"Điều đó có nghĩa là các tín hiệu điện phải truyền đi xa gấp đôi", Larkum nói với Live Science. "Nếu không có thay đổi về tính chất điện, thì điều đó có nghĩa là, ở người, các đầu vào synap tương tự sẽ kém mạnh hơn một chút." Nói cách khác, các gai điện nhận được từ một dendrite sẽ yếu đi đáng kể khi chúng đến cơ thể tế bào của tế bào thần kinh.
Vì vậy, Larkum và các đồng nghiệp của mình đã phát hiện ra các tính chất điện của tế bào thần kinh của con người để xem làm thế nào những sợi nhánh dài này thực sự quản lý để gửi tín hiệu một cách hiệu quả.
Đây là nhiệm vụ không dễ dàng.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu phải nhúng tay vào các mẫu mô não người, một nguồn tài nguyên khan hiếm khét tiếng. Nhóm nghiên cứu đã kết thúc bằng cách sử dụng các tế bào thần kinh đã được cắt ra từ não của bệnh nhân động kinh và bệnh nhân khối u như là một phần của điều trị y tế của họ. Nhóm nghiên cứu tập trung vào các tế bào thần kinh được cắt bỏ từ vỏ não, bên ngoài nhăn của não có chứa một số lớp khác biệt. Ở người, những lớp này chứa các mạng lưới dày đặc và phát triển cực kỳ dày, một thuộc tính có thể là "cơ bản cho những gì làm nên con người chúng ta", theo một tuyên bố từ Science.
"Bạn thường xuyên lấy khăn giấy, vì vậy bạn chỉ cần làm việc với những gì trước mặt bạn," Larkum nói. Và bạn phải làm việc nhanh chóng, ông nói thêm. Bên ngoài cơ thể con người, các tế bào não bị thiếu oxy chỉ tồn tại trong khoảng hai ngày. Để tận dụng tối đa cửa sổ thời gian giới hạn này, Larkum và nhóm của anh ta sẽ thu thập các phép đo từ một mẫu nhất định trong chừng mực có thể, đôi khi làm việc liên tục trong 24 giờ.
Trong những cuộc đua thử nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã cắt mô não thành những lát và chọc vào lỗ trong các sợi nhánh chứa bên trong. Bằng cách dán các pipet thủy tinh mỏng qua các lỗ này, các nhà nghiên cứu có thể bơm các ion, hoặc các hạt tích điện vào đuôi gai và quan sát cách chúng thay đổi trong hoạt động điện. Đúng như dự đoán, các sợi nhánh được kích thích tạo ra các gai hoạt động điện, nhưng các tín hiệu này trông rất khác so với bất kỳ cái nào nhìn thấy trước đó.
Mỗi cành tăng vọt chỉ trong một khoảng thời gian ngắn - khoảng một phần nghìn giây. Trong mô động vật gặm nhấm, loại supershort spike này xảy ra khi lũ natri xâm nhập vào dendrite, được kích hoạt bởi sự tích lũy đặc biệt của hoạt động điện. Canxi cũng có thể kích hoạt gai trong đuôi gai của loài gặm nhấm, nhưng những tín hiệu này có xu hướng kéo dài hơn 50 đến 100 lần so với gai natri, Larkum nói. Mặc dù vậy, thứ mà nhóm nghiên cứu nhìn thấy trong mô người dường như là một sự lai tạp kỳ lạ của cả hai.
"Mặc dù nó trông giống như một sự kiện natri, nhưng nó thực sự là một sự kiện canxi," Larkum nói. Các thành viên trong nhóm đã kiểm tra những gì sẽ xảy ra nếu họ ngăn natri xâm nhập vào đuôi gai mẫu của họ và thấy rằng những chiếc gai tiếp tục bắn không suy giảm. Hơn nữa, các supershort tăng vọt liên tiếp, hết lần này đến lần khác. Nhưng khi các nhà nghiên cứu ngăn chặn canxi xâm nhập vào các tế bào thần kinh, các gai đã dừng lại. Các nhà khoa học kết luận rằng họ đã tình cờ phát hiện ra một loại cành hoàn toàn mới, có thời gian tương tự như natri nhưng được kiểm soát bởi canxi.
"Chúng trông khác với bất cứ thứ gì chúng ta biết từ trước đến nay từ các động vật có vú khác", Mayank Mehta, giáo sư khoa thần kinh học, vật lý thần kinh học và thiên văn học tại Đại học California, Los Angeles, người không tham gia nghiên cứu cho biết. Câu hỏi lớn là, làm thế nào để những gai này liên quan đến chức năng não thực tế, ông nói.
Nhà máy điện toán
Larkum và các đồng nghiệp của ông không thể kiểm tra các mẫu cắt lát của họ có thể hoạt động như thế nào trong bộ não của con người nguyên vẹn, vì vậy họ đã thiết kế một mô hình máy tính dựa trên kết quả của họ. Trong não, đuôi gai nhận tín hiệu dọc theo chiều dài của chúng từ các tế bào thần kinh gần đó có thể đẩy chúng tạo ra một cành hoặc ngăn chúng làm như vậy. Tương tự, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các sợi nhánh kỹ thuật số có thể được kích thích hoặc ức chế từ hàng ngàn điểm khác nhau dọc theo chiều dài của chúng. Trong lịch sử, các nghiên cứu cho thấy rằng đuôi gai kiểm soát các tín hiệu đối nghịch này theo thời gian và tăng đột biến khi số lượng tín hiệu kích thích vượt trội hơn các tín hiệu ức chế.
Nhưng các dendrites kỹ thuật số đã không hành xử theo cách này cả.
"Khi chúng tôi nhìn kỹ, chúng tôi có thể thấy rằng có hiện tượng kỳ lạ này", Larkum nói. Càng nhiều tín hiệu kích thích mà một dendrite nhận được, nó càng ít có khả năng tạo ra một đột biến. Thay vào đó, mỗi khu vực trong một dendrite nhất định dường như "điều chỉnh" để đáp ứng với một mức độ kích thích cụ thể - không hơn, không kém.
Nhưng điều này có nghĩa gì về chức năng não thực tế? Điều đó có nghĩa là các đuôi gai có thể đang xử lý thông tin tại mọi điểm dọc theo chiều dài của chúng, hoạt động như một mạng thống nhất để quyết định gửi thông tin nào, loại bỏ và xử lý một mình, Larkum nói.
Mehta nói với Live Science: "Không có nghĩa là tế bào chỉ thêm mọi thứ lên - nó cũng sẽ ném đi mọi thứ". (Trong trường hợp này, các tín hiệu "vứt đi" sẽ là các tín hiệu kích thích không được điều chỉnh chính xác đến "điểm ngọt" của vùng đuôi gai. ; chẳng hạn, Mehta đưa ra giả thuyết rằng các sợi nhánh riêng lẻ thậm chí có thể mã hóa ký ức.
Một lần, các nhà thần kinh học nghĩ rằng toàn bộ mạng lưới nơ-ron làm việc cùng nhau để thực hiện các tính toán phức tạp này và quyết định cách trả lời như một nhóm. Bây giờ, có vẻ như một dendrite riêng lẻ thực hiện loại tính toán chính xác này.
Có thể chỉ có bộ não con người sở hữu sức mạnh tính toán ấn tượng này, nhưng Larkum nói rằng còn quá sớm để nói chắc chắn. Ông và các đồng nghiệp của mình muốn tìm kiếm sự tăng đột biến canxi bí ẩn này ở loài gặm nhấm, trong trường hợp nó đã bị bỏ qua trong nghiên cứu trước đây. Ông cũng hy vọng hợp tác trong các nghiên cứu tương tự ở các loài linh trưởng để xem các tính chất điện của đuôi gai của con người có giống với các họ hàng tiến hóa của chúng ta hay không.
Mehta cho biết rất ít khả năng những chiếc gai này làm cho con người trở nên đặc biệt hoặc thông minh hơn các loài động vật có vú khác. Có thể tính chất điện mới phát hiện là duy nhất đối với các tế bào thần kinh L2 / 3 trong vỏ não của con người, vì não của loài gặm nhấm cũng tạo ra các gai cụ thể ở các vùng đặc biệt của não, ông nói thêm.
Trong nghiên cứu trước đây, Mehta đã phát hiện ra rằng đuôi gai của loài gặm nhấm cũng tạo ra nhiều loại gai mà chức năng chính xác vẫn chưa được biết. Điều thú vị là chỉ một phần nhỏ các gai này thực sự kích hoạt phản ứng trong cơ thể tế bào mà chúng cắm vào, ông nói. Trong các tế bào thần kinh gặm nhấm, khoảng 90 phần trăm gai gai không nhắc tín hiệu điện từ cơ thể tế bào, cho thấy rằng đuôi gai ở cả loài gặm nhấm và con người có thể xử lý thông tin một cách độc lập, theo cách chúng ta chưa hiểu.
Phần lớn sự hiểu biết của chúng ta về học tập và trí nhớ bắt nguồn từ nghiên cứu về hoạt động điện được tạo ra trong cơ thể tế bào thần kinh và cáp đầu ra của nó, sợi trục. Nhưng những phát hiện này cho thấy rằng "có thể là phần lớn các gai trong não có thể đang diễn ra ở đuôi gai", Mehta nói. "Những đột biến đó có thể thay đổi các quy tắc học tập."
Lưu ý của biên tập viên: Câu chuyện này đã được cập nhật vào ngày 9 tháng 1 để làm rõ một tuyên bố của Tiến sĩ Mayank Mehta về việc liệu tín hiệu điện mới phát hiện có thể là duy nhất đối với con người.
